曝气机主轴浮动端面密封的设计.pdf

2 0 1 1年 1 1月 第 3 6卷 第 1 1期 润滑与密封 L UBRI CATI ON ENGI NE ERI NG NO V 2 0 1 1 Vo l 3 6 No 1 1 D O I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 1 1 1 0 2 9 曝气机主轴浮动端面密封的设计 李小瓯盛业涛邢金龙冯帅将刘卫庄 合肥通用机械研究院安徽合肥 2 3 0 0 3 1 摘要 曝气机广泛应用在城市污水和工业废水处理氧化沟工艺技术中 其水平转动轴一般采用传统的旋转唇形密 封 对曝气机水平转动轴旋转唇形密封泄漏的原因进行分析 指出唇形密封的密封面微观凹凸体的变形和密封唇的倾斜 是造成密封失效的主要原因 设计浮动端面密封 该密封的动环和静环均为浮动环 密封浮动性好 对水平转动轴的支 承轴的同轴度和偏心不敏感 密封效果好 通过大量的现场使用证明 曝气机水平转动轴采用浮动端面密封结构方法是 可行的 关键词 浮动密封 曝气机 主轴密封 中图分类号 T B 4 2 文献标识码 B 文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 1 1 1 1 1 8 4 De s ig n o f Fl o a t ing En d Fa ce S e a l o n M a in S h a f t o f Ae r a t o r L i X i a o o u S h e n g Y e t a o X i n g J i n lo n g F e n g S h u a i j i a n g L i u We i z h u a n g H e f e i G e n e r a l Ma ch in e r y R e s e a r ch I n s t it u t e H e f e i A n h u i 2 3 0 0 3 1 C h in a Ab s t r a ct Ae r a t o r is wid e l y a p p l i e d in o x id a t i o n d i t ch p r o ce s s t e ch n o l o g y f o r mu n icip a l s e wa g e a n d in d u s t r ial wa s t e wa t e r t r e a t me n t a n d t h e co n v e n t io n a l r o t a r y l i p s e a l is a d o p t e d f o r i t s h o ri z o n t a l r o t a ry s h a f t g e n e r a l l y By a n a l y z in g t h e r e a s o n s o f l e a k a g e o f r o t a ry l ip s e a l for h o ri z o n t al r o t a r y s h aft o f a e r a t o r i t wa s p o in t e d o u t t h a t t h e d e f o r ma t io n o f mi cr o a s p e rit ie s a n d t h e in cl in a t io n o f s e a l l i p we r e t h e ma in r e a s o n r e s u l t in g t h e f a il u r e o f r o t a r y l ip s e a1 T h e flo a t i n g e n d f a ce s e al wh o s e mo v in g ring a n d s t a t io n a ry ri n g a l l a d o p t e d fl o a t in g ri n g wa s d e s i g n e d T h e f l o a t in g e n d f a ce s e al h a s g o o d f l o a t a b i l i t y a n d i t i s in s e ns it iv e t o co a x ialit y a n d e cce n t ri cit y o f t h e s u p p o r t i n g s h a f t of t h e h o ri z o n t a l r o t a r y s h a f t wit h g o o d s e alin g e f f e ct Th e fi e l d a p p l i ca t i o n s o f g r e a t a mo u n t p r o v e t h a t it is f e a s ib l e t o a d o p t flo a t in g e n d f a ce s e a l s t r u ct u r e f o r h o ri z o n t a l r o t a r y s h aft o f a e r a t o r Ke y wo r d s fl o a t i n g s e al a e r a t o r ma i n s h a f t s e al 曝气机广泛应用在城市污水和工业废水处理氧化 沟工艺技术 中 具有推流能力强 充氧负荷调节灵 活 效率高且管理维修方便等特点 随着污水处理的 大型化 氧化沟工艺的主流化 曝气机应用越来越广 曝气机水平转动轴的支承轴采用调心滚动轴承 其可自动调心 采用油脂润滑 轴承座采用分开式游 动支承座 以克服安装误差 补偿因温度变化引起的 轴向伸缩 支承座及尾端轴承座均采用玻璃钢挡板 罩 以防止污水污泥进入轴承 轴承座进行了防腐处 理 两端设有性能较好的密封 以防污物进入轴承座 和防止润滑脂外漏 适合在潮湿的污水环境下长期 运行 由于密封工作环境恶劣和转轴旋转精度的影响 曝气机主轴采用的旋转唇形密封性能不够理想 寿命 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 0 9 作者简介 李小瓯 1 9 6 O 一 男 教授级高级工程师 主要从 事流体密 封和科 普装备 的研 究开 发工作 E m a i l l i x o 8 2 3 l 6 3 co m 短 从而导致污泥进入轴承座 对轴承造成损伤 使 设备无法正常运转 有资料显 有些密封的使用 寿命仅为几个月 严重影响设备的正常工作 1 密封失效的原因分析 曝气机 主轴采 用 的旋 转唇形密 封结构 如 图 1 所示 图 1 旋转唇形密封 Fig l Ro t a r y l ip s e a l 2 0 1 1年第 1 1 期 李小瓯等 曝气机主轴浮动端面密封的设计 1 1 9 1 1 微 观分析 当旋转唇形密封处于工作状态时 由于径向载荷 的作用 使得密封唇的顶点被压平 并且 JB 最 后的接触压力分布是非对称的 压力分布型线为准三 角形 最大点在接触面的油侧附近 轴旋转时在界面 上产生的摩擦剪切应力使得弹性体表面发生切向位 移 结果是最大位移与最大径向接触压力重合 因 此 切向位移的分布反映接触压力分布 在微观上 粗糙组织被展开 在峰值接触压力的两侧 粗糙组织 在相反方向上歪斜 实际上 已观察到当初始磨损模 式使微观波形轴 向延伸时 这些 峰脊 也在相反 方向上歪斜 结论是 相对歪斜的微观组织起导流片 作用 使得周 向剪切流 向最大压力偏转 如图2所 示 原则上 这些导流片可以从两侧将油泵送到界 面 但是 由于在空气侧 比在油侧泵送 的油多 所 以 泵送能力在每侧是不同的 t t t 剪 切 流 图2 变形的微观凹凸导致的剪切流转向 F ig 2 Div e r s io n o f s h e a r flo w b y de f o r me d micr o a s p e r it ie s 因此 总的描述如下 在正常运行时 油首先通 过油侧的组合毛细作用和粗糙组织的泵送作用进入密 封间隙 当油进入界面时 泵送作用开始起作用 空 气侧 污泥侧 微观泵具有较高的潜在泵送能力 因此建立流体动压平衡 密封运行在油膜上而不泄 漏 密封时的摩擦力高于从空气侧供给密封剩余油时 的摩擦力 密封成贫润滑状态 1 2宏观分析 实际中 这类设备的两支点间跨距达 4 m以上 且分别安装在 2个机座上 由于跨距大 在运行中受 重力 离心力及水的反作用力等因素的影响 旋转唇 形密封的接触环带实际上很少与轴线垂直 包括密 封不是精确地定位在定位轴肩上 如图3所示 所 以整个密封可向轴线倾斜 或者 由于密封或设备的 制造公差 在密封盒和密封唇之间可能存在的角向偏 心 或者 腔体内孔和轴线之间的不平行 这些作用 的结果是当轴旋转时 密封唇相对轴会有低幅度的往 复轴向运动 其频率与轴的旋转频率一致 且轴向行 程长度取决于角向偏心的大小 而我们知道 具有非 对称压力分布的往复密封 向较陡接触压力梯度的区 域泵送 因此 从图中不难看出泵送朝向较大的唇接 触角 由于安装或制造引起的偏心而导致密封的早 期失效在其他设备上有过类似的报道 如在钢铁行业 的预精轧机和精轧机上密封有的只能使用3 7天 斜 被刮扫 图 3 偏心导致的斜接触 Fig 3 De fl e ct iv e co n t a ct d u e t o e cce n t r icit y 心度 偏移 2密封设计 2 1 密封 结构的选取 综合前述的失效分析 可以判定 旋转唇形密封 很难在上述条件下具有优良的密封性能和寿命 曝气 机水平转动轴的支承轴工作参数见表 1 表 1 工作参数 T a b l e 1 Op e r a t i n g p a r a me t e r s 介质温度 介质 p H值 环境温度 油温 转速 n r m i n 无故障连续工作时间 t h 因密封使用时的外部介质是污泥 通过对以往密 封的使用调查并结合现场情况 密封确定为浮动端面 密封结构 这是一种具有优异的耐高温 耐磨性能的 密封结构 结构简单 轴向尺寸短 其特点在于保持 润滑脂 油 不泄漏 同时阻止外部 的泥沙 粉尘 污水等进入轴承腔 结构如图4所示 浮动端面密封 m 舳咖 O 0 4 4 1 2 0 润滑与密封 第3 6卷 主要由2 个相同的浮动密封环和 0形橡胶圈组成 2 个密封环 1 个旋转 1 个静止 结构对称 通过 0形橡 胶圈轴向压力压紧形成端面密封 2 个 0形橡胶圈既 充当密封环的弹性补偿元件 又通过摩擦力将其固定 在各 自的浮封座内 同时还具有辅助密封的功能 图 4 浮动端面密封结构示意图 F ig 4 S t r u ct ur a l d ia g r a m o f flo a t in g e n d f a ce s e a l 2 2浮动端面密封 的设计 浮动端面密封的设计 主要是确定合理的轴向压 缩量 使密封具有合理的密封端面压力 同时 确保 0形橡胶圈与浮动环和浮封座之间的摩擦力所产生的 力矩带动浮动环旋转或静止 通常 在设计计算时 首先通过经验值确定浮动端面密封的端面比压 根据 摩擦副端面宽度推算出轴向力的大小 再由轴向力确 定浮动端面密封的轴向压缩量 J 或按相反程序设计 计算 2 2 1 压缩量的计算 钢材的泊松 比为 0 2 8 5 弹性模量 为 2 1 0 G P a 远远大于橡胶材料的弹性模量 假设其为刚性 忽略 变形 视为 0形圈变形时的约束边界 根据浮动端面密封外形尺寸 可以精确地计算出 0形 圈的压缩量 A d Hl s in 3 1 式中 为浮动端面密 封环倾斜表面 的轴 向位移 m m 为浮动端面密封环的外倾角 因为在变形中 0形圈截面上的各点在每一个倾 斜表面上都产生均匀的位移 在需要确定每一个倾斜 表面相对于 0形圈截面中心的位置时 只取 A d的 1 2 A H 0 5 j 2 Sl J J 0 5 3 s in 7 式中 为壳体或端盖的倾斜表面相对于 0形圈截 面中心的位移 m m y为壳体或端盖圆柱表面的倾 角 故 0形圈总的轴向位移 日 m m 为 H 2 日 A d I 1 4 s m j s mT 一 般情况下 压缩量 A d取 0形圈截面直径的 1 5 3 0 8 2 0 y 6 1 2 对于单浮动端面密封 日即为 0形圈的压缩量 对于双浮动端面密封来讲 2个 0形圈总的压缩量为 2 H 2 2 2 轴向力的计算 对于 0形圈内径没有预加拉应力条件下 轴向 力的值可以用下列经验公式近似求出 P 2 K o E F f 1 一 1 5 d 式中 K o 为 0形圈的压缩变形率 E为0形圈 的弹性模 量 k g cm d为 0形 圈的截 面 直径 cm F 竹 D L L 为接触表 面的宽度 cm 可 由下式确定 L k 2 d d A d 6 D 为接触表面平均直径 cm 可由下式确定 D D 萼 士 萼 一 d s i 7 D c p 导 导 一 d si n y 8 D 为 0形圈 的平均直径 cm 对于 0形圈外端的变形段取正号 对于内 端变形段取负号 一 对于履带机械和煤矿机械等设备 使用经验得到 了一个合理的接触压力 的推荐值 即此值在 0 3 0 6 M P a的范围内 而对于钻具使用的浮动端面密 封端面 比压可以达 到 1 4 M P a l s l 根据水平转动轴的支承轴使用条件 可以确定浮 动端面密封的端面比压在0 4 O一 0 4 8 M P a的范围内 2 2 3 浮动端 面密封的材料选取 浮动环的材料可以采用精铸 粉末冶金和等离子 喷焊等方法制造 也可用聚氨脂材料 考虑到设备的 实际运行条件 浮动环采用了具有耐磨 耐腐蚀 高 硬度的高铬钼合金铸铁 硬度为 H R C 6 5 7 2 同时对 材料应进行磁粉探伤处理 以判定内部是否有缺陷 浮动端 面 密 封 0形 圈选 用 了耐 油 抗 老 化 性 并具有耐热 耐磨 耐腐蚀等特点的丁腈橡胶 在选 用 0形圈的材料时应特别注意 如果所用的润滑油 具有较高的极压剂含量时 应尽量选用丙烯腈含量较 低的丁腈橡胶 3 浮动端面密封的应用 在完成浮动端面密封的设计后 根据某工程的需 2 0 1 1 年第 1 1期 李小瓯等 曝气机主轴浮动端面密封的设计 1 2 1 求 一次性安装了 5 4套该密封 由于工程时间的要 求 没有对密封进行全面细致的试验 仅仅是做了简 单的运行验证 考虑到这是首次将浮动端面密封应用 于曝气机水平转动轴的支承轴 对于密封的寿命没有 足够的经验值 因此 0形圈压缩率采用了 2 0 和 2 5 2 种比值 以期待在实际运行中获取有价值的结论 实际运行表明 这批浮动端面密封在运行中表现出 良好的密封l生能和长的使用寿命 3年后才有个别密封 出现故障 同时 2 种 O形圈压缩率比值没有表现出来 明显的差异 目前 仅作者单位就提供了数百套浮动端面密封 在污水处理设备上使用 并且该密封已经在设备制造 商中得到了推广使用 4结论 针对曝气机水平转动轴旋转唇形密封泄漏和寿命 短的问题 提出了浮动端面密封的设计方案 实际应 用表明 所采用的浮动端面密封 的设计方法是可行 的 浮动端面密封结构采用动环和静环均为浮动环 密封浮动性好 对水平转动轴的支承轴的同轴度和偏 心不敏感 要求低 该方案对以后类似工况的浮动端 面密封设计和应用具有一定的指导意义 参考文献 1 刘金照 王泽生 生活污水处理厂转刷曝气机改造 J 城市 环境与城市生态 2 0 0 3 1 2 3 0 3 1 L iu J in z h a o Wa n g Z e s h e n g Mo d ifica t io n o f r o t a t in g b r u s h a e r a t i o n m a ch in e in d o m e s t i c w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t J U r b a n E n v i r o n me n t U r b a n E co l o g y 2 0 0 3 1 2 3 0 3 1 2 海因茨 K米勒 流体密封技术 原理和应用 M 程传庆 等 译 北京 机械工业出版社 2 0 0 2 3 王文虎 王勇 李翔宇 影响高线轧机双唇密封使用寿命的 原因分析 J 润滑与密封 2 0 0 9 3 4 6 1 0 3 1 0 5 Wa n g We n h u W a ng Yo n g L i Xia n g y u An aly s is o n t h e f a ct o r s i n fl u e n ci n g d o u b l e l ip s e a l s e r v i ce l i f e f o r r o l l i n g m il l J L u b r i ca t i o n E n g i n e e rin g 2 0 0 9 3 4 6 1 0 3 1 0 5 4 陈荷友 浮动端面密封系统中 O形圈的研究 J 流体工 程 1 9 9 2 2 0 9 3 6 4 1 5 张婧 金圭 0形密封圈接触压力的有限元分析 J 润滑与 密封 2 0 1 0 3 5 2 8 O一 8 3 Z h a n g J in g J in G u i F in it e e l e me n t a n a l y s is o f co n t a ct p r e s s u r e o n o ri n g J L u b rica t i o n E n g i n e e rin g 2 0 1 0 3 5 2 8 0 8 3 f 6 孙健 迟可伟 冯茂林 等 浮动端面密封的应用与性能分析 J 流体机械 2 0 0 6 3 4 6 3 4 3 7 S u n J ia n C h i K e w e i F e n g Ma o l in e t a 1 A p p l ica t io n a n d p e r f o r m a n ce a n a l y s is o n fl o a t i n g e n d f a ce s e al J F l u id M a ch i n e r y 2 0 0 6 3 4 6 3 4 3 7 7 罗炜 何其翔 刘剑 牙轮钻头金属浮动密封研究及设计 J 石油机械 1 9 9 4 1 2 1 6 1 9 L u o We i H e Q ix ia n g L i u J i a n R e s e a r ch o n m e t a l fl o a t i n g s e a l f o r r o l l e r b i t s J C h i n a P e t r o l e u mM a ch i n e ry 1 9 9 4 1 2 1 6 1 9 8 姜志明 杨柯 浮动密封加工和装配方法的探讨 J 煤矿机 械 2 0 0 4 8 4 7 4 9 J ia n g Z h i mi n g Y a n g K e Ap p r o a ch i n g t h e me t h o d o f ma ch i n i n g a n d a s s e m b l y f o r fl o a t i n g s e a l J C o a l M i n e M a ch i n e ry 2 0 0 4 8 4 7 4 9 上接 第 1 1 7页 2 4 4油泥溶解试验 检测结果表 明 3种备选汽轮机油 A B C油 泥溶解性能均较好 考虑到分析误差 认为 3 种备选 油品油 泥溶解性 能无 明显差异 3结论 对某电厂汽轮机油的选用方案进行了研究 根据 汽轮机油 的使用要求 提出了采用常规理化项 目检 测 开 口老化试验 过热老化试验 混油试验和油泥溶 解试验等评价方案来考察备选的3 种新油 结果表明 1 3种备选汽轮机油 A B C的质量指标均 能满足汽轮机系统使用要求 2 备选汽轮机油 B的热稳定性最优 但其在 过热条件下 的抗氧化性能较备选汽轮机油 c 略差 备选汽轮机油 C在过热